中国地表太阳辐射资源空间化模拟

基于1981—2010年全国122个气象台站的太阳辐射和气温日较差观测数据,将Bristow-Campbell太阳辐射估算模型在中国八大自然区分别进行了参数校正和验证;利用地理信息空间分析平台,采用PRISM模型对中国区域平均最高与最低气温空间化的结果,将其输入Bristow-Campbell模型,实现太阳总辐射的空间栅格化模拟;通过斯忒藩-玻耳兹曼定律计算全国地表长波辐射平衡;进而根据太阳辐射平衡公式,得到中国地表太阳辐射平衡的空间格局。结果表明:经过校验的Bristow-Campbell可以较准确地估算中国区域太阳总辐射资源;基于Bristow-Campbell辐射估算模型,结合气象数据的空间化模型,是实现太阳净辐射资源空间化模拟的有效途径;我国地表太阳净辐射总体空间格局表现为高值区位于青藏高原,每年可达9 000 MJ·m^-2,东部地区的净辐射年总量较低,东北稍高,浙闽地区稍低,低值区位于川黔地区,年平均约为2 000 MJ·m^-2左右。     

我国太阳总辐射气候学计算方法研究

目前太阳辐射主要通过计算获得,因此建立太阳辐射的气候学计算方法十分必要。论文利用中国54个站1961—2000年的逐日太阳总辐射和日照百分率资料,分别以天文辐射、晴天太阳辐射和理想大气太阳辐射作为三种起始值建立了各站的太阳辐射回归方程,并对其经验系数进行聚类分析,分为东部和西部两个地区。然后利用54个站1961—1990年的资料建立了3种起始值情况下,东部、西部地区和全国统一的太阳总辐射计算公式。最后利用这些站1991—2000年的观测资料对所建立的公式进行了检验。结果表明:无论是利用分区还是全国统一公式都是以天文辐射为起始值时计算结果好,其中分区公式比全国统一公式的计算结果精度略高,但差别不大。全国54个站以天文辐射为起始值的分区公式相对误差变化于2.67%~19.30%,平均为7.79%。全国统一公式的相对误差变化于3.33%~18.75%,平均为8.39%。从模拟结果的地区差异看,无论采用何种起始值,都是西部地区模拟误差小于东部地区,这与西部地区干燥、空气湿度小有密切关系。与其他研究结果相比,论文所建立的各种公式模拟结果较好,这是由于采用的资料序列长、站点多。考虑到计算天文辐射所需参数容易获得,因此建议实际应用时,采用以天文辐射为起始值的全国统一公式。     

利用MSG数据估算裸土热惯量及地表热通量

文章提出了利用搭载在欧洲第二代静止气象卫星上（MSG）的SEVIRI传感器数据估算裸土区热惯量及地表热通量的方法。首先,文章根据Jiang(2006)提出的方法,结合MSG－SEVIRI可见光及热红外数据,获得了间隔15分钟的地表温度数据;其次,利用日出与日落间的时间段及相应的地表温度和平均夜晚净辐射,估算了热惯量。在热惯量估算过程中,考虑到在整个夜晚,只能够获取两条大气廓线,所以作者用两种方法估算了平均净辐射。一种是以18时和24时的平均净辐射作为整个夜晚的净辐射;另一种是假定夜晚净辐射是时间的线性函数,通过这个函数关系得到各个时刻的净辐射,进一步得到不同时段的平均净辐射。基于两种估算夜晚净辐射的方法,文中分别计算了固定时间段及变化时间段的热惯量。最后,结合地表温度的余旋周期函数和前面所估算的热惯量,估算了地表热通量。通过三个试验点的两天数据对此方法的验证表明,变化时间段方法估算的热惯量比固定时间段方法估算的热惯量更为稳定,同时,这3个位置的地表热通量较高,最高达到了300W/m2。图2表5参12     

一种预测水中饱和溶解氧的新方法

1 方法的提出目前,计算水中饱和溶解氧的浓度,一般采用以下公式:Cs=(468)╱(31.6+t)(1) Cs=14.562-0.41022t+0.0079910t~2-0.000077374t~3(2) Cs=(475-2.65C_(ds))╱(33.5+t)(3) 上述3公式的物理意义不够明确。实践证明,式(1)计算误差大;式(2)计算结果准确性尚好(平均绝对误差一般在0.05mg/l,平均相对误差为0.6％左右),但只能用于0℃≤t≤30℃,含盐度为0的条件下;式(3)计算的平均相对误差大于4％,计算值和实测值最大误差达1.19mg/l。基于上述原因,我们依据气体在水中的溶解机制,假定进入水中“空穴”的气体分子与水分子之间的作用力为范德华力;水相中“空穴”为均匀分布,应用实验数据导     

新疆地区气溶胶对地表太阳辐射的影响初探

为了进一步认识大气气溶胶对气候环境的影响,基于2017年Aqua MODIS C006气溶胶光学厚度（aerosol optical depth,AOD）产品、CERES SSF Aqua MODIS Edition 4A数据集的地表短波辐射以及地面观测太阳辐射数据,对2017年新疆地区AOD和地表太阳辐射年变化进行研究,并以沙尘和人类活动气溶胶丰富的南疆典型地区喀什为代表城市,采用AccuRT辐射传输模式定量化研究晴空时气溶胶对地表短波辐射的影响.结果表明：①地表太阳辐射月均值最大值出现在和田站的5月,为441.62 W·m^-2,最小值出现在乌鲁木齐站点的12月,为37.03 W·m^-2;CERES/SSF地表短波辐射资料与地面观测结果相比,阿克苏站、焉耆站和伊宁站的差距最小,喀什站和若羌站全年存在高估现象,其他站点存在不同程度的高低估现象.②2017年新疆地区AOD格点平均的年均值最小值为0.0175,最大值为0.4610,南疆地区的AOD整体高于北疆地区;2017年AOD格点春夏季的AOD均值分布与全年均值分布特征相似,其中春季的AOD高值区区域面积高于其他季节.③根据AccuRT计算,当AOD由0.05增加为0.56时,四季的地表向下短波总辐射均呈下降趋势,夏季下降幅度最大,由923.02 W·m^-2变化为677.61 W·m^-2,其次为春季和秋季,冬季下降幅度最小.AOD的减少变化导致的地表向下短波总辐射通量、直射辐射通量和散射辐射通量变化敏感度明显高于AOD增加所导致的变化敏感度.     

中国陆地生态信息空间化技术研究(Ⅲ)——温度、降水等气候要素

利用国家气象局722个气象台站1971～2000年的气象资料,采用三维二次趋势面分析与空间插值相结合等方法,在ArcGIS平台上对气温、降水、空气湿度等气候要素进行空间化,生成国家尺度的1km×1km栅格各种要素气候图180多幅。经检验,平均绝对误差,平均气温和平均最高、最低气温为0.5℃左右,极端最高气温为1℃左右,极端最低气温为1.5℃左右,平均风速为0.4m·min-1;而平均相对误差,≥0℃、5℃、10℃、15℃的积温和平均相对湿度多在5%以下,降水量和饱和差在10%左右;其空间化的精度基本上达到了实用要求。为生态学、地学、资源与环境等学科的发展提供了重要的基础数据与研究平台。研究表明,空间化误差的时空分布与测点密度、气候要素本身特性等因素有关。一般规律是:西部地区大于东部地区,冬季大于夏季,离散的气候要素大于连续的气候要素,极端值大于平均值。     

利用修正的Hargreaves公式计算青海湖流域参考作物潜在腾发量

根据青海湖流域刚察气象站1958—2006年的逐日气象资料,分别采用Penman-Monteith公式和Hargreaves公式对参考作物潜在腾发量进行了计算并对两种方法的计算结果进行了对比分析,发现两种方法的计算结果存在较大差异。为了提高Hargreaves公式在该地区的适用性,引入平均相对湿度因子对Hargreaves公式进行了修正,并利用刚察气象站2007—2012年的逐日气象资料对Hargreaves公式修正式的计算结果进行了验证,发现对Hargreaves公式的修正结果非常好,在青海湖流域可以作为计算参考作物潜在腾发量的一种计算方法而使用。     

FY2 号气象卫星估算地面太阳辐射研究

综合考虑太阳因素、地形因素、地表积雪覆盖情况、云量以及非均质大气对太阳辐射的影响,基于FY2 号静止卫星构建晴空太阳总辐射计算模型,并利用山西省3 个辐射观测站2011 年逐时、逐日、逐月太阳总辐射观测资料对其估算结果进行检验。研究结果显示：逐时误差在±1 MJ·m^-2之间,逐日误差在±5 MJ·m^-2之间,表明模型计算的太阳辐射误差较小,稳定性较好;逐月误差结果显示,三个站模拟值都大于实测值,且误差趋势一致,均表现为冬季误差高于夏季;进一步对模拟值和实测值进行相关性分析,三站线性拟合度均在0.86～0.92 之间,且相关系数均达到显著相关水平,表明模型计算的太阳辐射准确性和精度较高,且在数值拟合上较好地反映了实际的太阳总辐射量,证实该模型应用于FY2 号气象卫星的可行性。     

大气可降水量卫星遥感反演不确定性对太阳总辐射模拟的影响

辐射传输方程模拟法作为一种较为准确有效的太阳总辐射间接获得方法,其模拟精度受到代入方程的大气参数精度的影响。论文通过将香港2005—2013年卫星遥感反演的大气可降水量产品与地面站数据对比,以68.3%的置信水平分析了卫星遥感反演的大气可降水量的不确定性;并通过收集2005—2013年香港其他影响大气上界太阳辐射到达地表的大气参数,如气溶胶光学厚度、气溶胶单次散射反照率、臭氧含量综合模拟大气环境,确定了大气可降水量的不确定性在夏季和冬季对太阳总辐射模拟（250~2 800 nm）造成的相对误差。研究结果表明,受大气可降水量不确定性影响,使用辐射传输方程法模拟获得的太阳总辐射有1%~3%的相对误差。使用该方法冬季受大气可降水量不确定性影响程度比夏季大。决定相对误差大小的主要因素是波长,大气水汽吸收作用强的波长上,相对误差也大;其次因素是太阳天顶角,太阳天顶角越大,该方法模拟所得太阳总辐射相对误差越大。研究为大气可降水量参数不确定性影响下太阳总辐射模拟的误差评估提供了依据。     

城市扩张对地表能量平衡的影响:以厦门为例

城市扩张与城市地表能量平衡的关系是研究城市气候的关键问题之一。该研究利用2000、2005、2011和2015年4期Landsat数据和对应卫星过境时刻的气象数据,借助土地利用转移矩阵方法,开展了厦门市近15年来城市扩张对地表能量平衡影响的分析。结果表明:(1)研究区近15年来耕地数量持续减少,林地和建设用地数量持续增加;裸地最容易变为其他土地利用类型,同时其他土地利用类型也最容易撂荒;建设用地主要由耕地转化而来,耕地主要转化为林地和建设用地。(2)地表通量的分布和大小与土地利用类型密切相关,其中水体和林地具有较高的净辐射和潜热通量,建设用地具有较高的显热通量、土壤热通量和人为热排放。(3)城市扩张引起地表反照率、地表粗糙度、热容量和透水能力等等的变化,使得潜热通量减少,而显热通量、土壤热通量和人为热排放增加。除了裸地以外,2000-2015年间其余4种土地利用类型变为建设用地时,净辐射是减少的。当裸地变为建设用地时,净辐射一直是增加的。     

三江平原毛果苔草湿地物理过程——能量环境的基本特征

从整个生长季(1999-04-30～09-30)来分析,到达毛果苔草湿地生态系统的太阳辐射能总量约为2673.06MJ/m2.太阳总辐射在一天内不同时间段累积呈现出单峰型曲线(抛物线型);分光辐射总量呈明显的单峰曲线(抛物线型),在分光辐射的几个分量中,光合有效辐射的分配比总是最大,其次是红外辐射,最小的是紫外辐射.净辐射主要与下垫面的季节性植被季相有关,生长初期与生长末期较大,而生长旺盛期较小.      

基于临近台站气象数据的参考作物蒸散量估算方法

参考作物蒸散量（ET₀）是评估区域植被耗水进而指导水资源优化管理所需的主要参数之一,但我国大部分地区标准化气象台站稀疏、部分研究点的气象资料通常难以获取,给ET₀的计算带来了很大困难。以地处内陆旱区的内蒙古河套灌区为例,利用该区4个标准气象站1981-2006年的气象资料,讨论了研究点在没有历史气象数据且现有气象数据不完备的情况下,采用临近台站气象数据估算ET₀的可靠性。估算方法分别为估算未知气象数据的FAO56 Penman-Monteith方程（PM56）、基于临近台站气象数据校正的经验公式以及利用临近台站气象数据训练的人工神经网络模型。结果表明：（1）在完全没有气象数据的条件下,可采用临近站点的气象数据估算研究点的ET₀,平均绝对误差（MAE）为0.43~0.52 mm d^-1,均方根误差（RMSE）为0.56~0.63 mm d^-1;估算精度与台站间的距离有关,利用维度信息校正太阳辐射值可提高估算精度。（2）仅有最高和最低气温数据时,估算气象数据的PM56方程计算误差较大,且站点之间表现不稳定,人工神经网络模型的估算精度最高,MAE和RMSE分别为0.14~0.22 mm d^-1和0.17~0.29 mm d^-1;校正后的Hargreaves公式的估算效果次之,MAE和RMSE分别为0.23~0.26 mm d^-1和0.30~0.31 mm d^-1。（3）在已知温度和辐射数据时,利用临近台站气象数据训练的人工神经网络模型依然表现最好,MAE和RMSE分别为0.13~0.19 mm d^-1和0.17~0.25 mm d^-1,其他两种方法误差较大。在内陆干旱条件下,利用研究点的气温数据结合临近台站的历史气象信息可有效估算参考作物蒸散发。     

黄河源区草场近地面能量收支研究

基于玛多县环境梯度监测系统2009 年11 月至2010 年10 月观测数据,利用组合法计算黄河源区近地面的感热通量和潜热通量,进而分析近地面能量收支状况。结果表明：黄河源区年总辐射能量较高,达6.73×10⁹ J/m²,受积雪影响,反射率可超过0.5;在寒冷季节地面吸收的60%以上短波能量以辐射形式传给大气,而夏季则不到50%;地面全年吸收能量的80.5%以潜热形式支出,向地下深层传递的能量较少,仅占1.9%;不同月份的地表能量收支项差异较大,特别是寒冷季节。     

以能量方法研究紫外辐射在大气中的传输

2004年9月～2006年10月,在华北地区4个站点开展了太阳辐射、气象参数等综合观测,得到了紫外辐射UV、总辐射Q等的变化特征.水汽和散射因子对于UV/Q和UV有明显影响.建立了实际天气UV小时累计值(时累)的经验模式,得到了较好的计算结果.水汽因子对于UV在大气中的传输有一定的作用,应给予重视.计算表明,华北地区受水汽因子衰减到达地面的UV以及占地面UV的比例分别为15.00W.m-2和37.45%,受散射因子衰减到达地面的UV以及占地面UV的比例分别为23.89W.m-2和62.55%.华北地区受水汽因子和散射因子影响损失于大气中的UV分别为19.30、35.31W.m-2,这一能量损失表现出明显的季节变化和地区差异.敏感性实验表明,地表UV对于水汽和散射因子的变化有不同的响应,UV对散射因子的变化比对水汽因子的变化更敏感.水汽因子与UV之间的关系与水密切相关,水汽项的真正含义是大气中各种物质成分(气、液、固态)对于UV的直接吸收和间接利用(通过化学和光化学反应,包括均相和非均相过程)的总和.利用经验模式计算了大气顶的UV,计算误差为+7.83%.未来研究中应重视和考虑消耗于大气且与水汽有关的这部分能量.以能量观点分析实测资料并研究大气中的物理化学过程是一种行之有效的方法.     

A model of net radiation over suburban snowpacks

Fieldwork by Xu and Buttle (Proc. East. Snow Conf.43, 173–184, 1987) has identified enhanced net radiation around homes as a contributing factor to the increased snowmelt rates observed in suburban environments relative to rural areas. A simple steady-state building climatology model was developed and linked to a ripe snowpack model to examine the effect of suburban homes on the net radiation balance over the sorrounding snowpacks. An error estimation of simulated hourly net radiation was determined by comparing model-predicted and observed net radiation at two suburban homes in Peterborough, Ontario, during a snowmelt period in March 1985. Results demonstrate that the model effectively simulates the complex mean hourly daytime net radiation inputs over ripe suburban snowpacks under all-sky conditions.     

青海省东部农业区参考作物蒸散量的变化及对气象因子的敏感性分析

使用FAO推荐的Penman-Monteith公式计算了青海省东部农业区7个气象代表站的逐日参考作物蒸散量(ET₀),运用多窗谱方法(MTM)对青海省东部代表站的ET₀的变化周期进行了分析,同时,分析了影响ET₀的主要气象要素的变化趋势,运用基于偏导数的敏感系数法分析了生长季ET₀对气温、日照时数、相对湿度、风速的敏感性,结果表明,青海省东部农业区的7个站点有比较一致的19.23~22.22 a的周期;整个东部农业区的气温(最高温度、最低温度、平均温度)呈明显的上升趋势,日照时数、风速、相对湿度则随纬度的变化而趋势不同,北纬36°以南的两个站日照时数、风速均有增加的趋势,相对湿度则减小,以北的5个站则呈相反的变化;ET₀对日照时数最为敏感,其次是气温、相对湿度和风速;敏感系数在整个生长季随气象因子的变化而变化,日照时数敏感系数呈波动状,最大值出现在4月,最小值出现在9月,气温敏感系数呈现单峰型变化,最大值出现在7月,风速敏感系数则呈单谷型变化,最小值出现在7月。     

基于地面试验的土壤表面阻抗估算研究

基于地面试验,利用土壤蒸发计算公式求算土壤水汽阻力的反推法,论文对土壤表面阻抗进行了估算,并研究了土壤表面阻抗与土壤含水量之间的关系。反推法所需参数土壤蒸发量由称重法获得,空气实际水汽压由观测的相对湿度和空气温度数据计算而得,土壤表面饱和水汽压由观测的土壤表面温度计算而得,空气动力学阻抗由观测的涡度相关数据计算而得。研究结果表明,土壤表面阻抗与土壤质量含水量之间存在较好的指数函数关系,即土壤表面阻抗随土壤质量含水量的增加呈指数函数递减,由此说明通过土壤含水量计算土壤表面阻抗是一种新的可行途径。另外,在计算过程中也发现空气动力学阻抗的准确计算是应用反推法获取土壤表面阻抗的最关键因素,也是给此方法带来不确定性最大的因素,较大的空气动力学阻抗误差甚至会使土壤表面阻抗出现负值。     

西北地区太阳能资源空间分布特征及资源潜力评估

太阳能资源的开发利用对人类减少化石燃料的消费及温室气体的排放具有极其重要的意义。因此,研究某一区域太阳能资源的时空分布及稳定性对于开发利用太阳能资源至关重要。论文从区域的角度,利用西北5省西安、西宁、兰州等27个辐射站逐日太阳总辐射(1961—2008年)和延安、乌鲁木齐、安康等163个气象站逐日日照时数资料(1958—2008年),用统计分析和规则样条函数插值相结合的方法,采用太阳总辐射和日照时数作为评价指标,分析了西北地区近50 a来太阳能资源的时空变化特征。结果表明:①研究区太阳能资源年际变化和季节变化特征基本一致,中部青海地区日照时数最长和太阳能总辐射最为丰富,属于资源丰富区,陕西南部及西南部地区太阳能资源相对最为贫乏,属于资源缺乏区;②近50 a来,西北地区年总辐射呈明显下降趋势,年均日照时数下降趋势较缓;③163个气象站近10 a各月日照时数大于6 h的天数有45～327 d,大部分站点在200 d以上,其中每年有15个站点大于300 d;④陕西中及南部、乌鲁木齐周边地区太阳能资源最不稳定,太阳能稳定程度指数K值最高,为12.21,而青海北部及青、甘、新三省交界地带资源最为稳定,K值最低,为1.27;⑤太阳能资源的稳定程度与资源潜力大小分布较为一致,即太阳能资源较为稳定的地区,总辐射最高、日照时间最长。